(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック内部に滞留する余剰水分を効果的に排出する。【解決手段】  燃料電池システムは、発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、燃料電池スタックに含まれる複数の単セルのうちの一部のみに空気を供給するとともに、空気の供給先を切り換え可能なガス供給切換部と、ガス供給切換部を制御するガス供給制御部とを備える。【選択図】  図１
2007066548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに含まれる複数の前記単セルのうちの一部のみに所定のガスを供給するとともに、該ガスの供給先を切り換え可能なガス供給切換部と、
前記燃料電池システムの運転停止時に、前記ガス供給切換部を制御するガス供給制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給制御部は、前記燃料電池システムの運転中に前記ガスが流れる最下流部に配置されている前記単セルを含む一部に前記ガスを供給するように、前記ガス供給切換部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、複数の前記単セルが鉛直方向に積層されており、
前記ガスは、前記燃料電池システムの運転中に、前記燃料電池スタックの最上部に配置された前記単セルから、最下部に配置された前記単セルに向かって流れており、
前記ガス供給制御部は、前記燃料電池スタックの最下部に配置された前記単セルを含む一部に前記ガスを供給するように、前記ガス供給切換部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムであって、
発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに含まれる複数の前記単セルのうちの一部のみに所定のガスを供給するとともに、該ガスの供給先を切り換え可能なガス供給切換部と、
前記発電時に電流を取り出す前記単セルを切り換え可能な切換スイッチと、
該ガス供給切換部、および、前記切換スイッチを制御するガス供給制御部と、を備え、
前記ガス供給制御部は、前記燃料電池システムの低負荷運転時に、要求された出力に基づいて、前記発電を行う単セルの数を切り換えるように、前記ガス供給切換部、および、前記切換スイッチを制御する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記ガス供給制御部は、さらに、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池スタックの前記単セルの積層方向の端部に配置された前記単セルを含む一部に前記ガスを供給するように、前記ガス供給切換部を制御する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、該燃料電池スタックの内部に、前記ガスを複数の前記単セルに分岐して供給するためのマニホールドを備えており、
前記ガス供給切換部として、前記マニホールド内に、前記ガスの流路を切り換えるための切換バルブを備える、
燃料電池システム。
【請求項７】
発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムの運転停止指示を入力する工程と、
前記運転停止指示が入力されたときに、前記燃料電池スタックに含まれる複数の前記単セルのうちの、前記燃料電池システムの運転中に所定のガスが流れる最下流部に配置されている前記単セルを含む一部に前記ガスを供給する工程と、
を備える制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面にそれぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを備えた単セルを複数積層させた燃料電池スタックがある。そして、単セルのカソードでは、発電時のカソード反応によって、水（生成水）が生成される。この生成水は、燃料電池スタック内部に設けられた反応ガス（水素や酸素）のガス流路から排出ガスとともに排出される。
【０００３】
生成水は、燃料電池システムの運転停止後に、燃料電池スタック内部で凍結すると、アノードやカソードへの反応ガスの供給が妨げられ、起動できなくなる場合がある。そこで、このような不具合を防止するための技術として、例えば、下記特許文献１には、燃料電池システムの運転停止後に、燃料電池スタック内部に乾燥ガスを供給して生成水を排出する技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２０８４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池スタック内部の乾燥ガスの下流部分に水分が滞留し、その部分において、水分を十分に排出できない場合があった。さらに、このような燃料電池スタック内部からの余剰水分の排出についての課題は、燃料電池システムの運転停止後に限らず、燃料電池システムの運転中においても、同様に生じていた。燃料電池システムの運転中における燃料電池スタック内部からの余剰水分の排出についての課題としては、例えば、フラッディングが挙げられる。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック内部に滞留する余剰水分を効果的に排出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の第１の燃料電池システムは、
発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに含まれる複数の前記単セルのうちの一部のみに所定のガスを供給するとともに、該ガスの供給先を切り換え可能なガス供給切換部と、
前記燃料電池システムの運転停止時に、前記ガス供給切換部を制御するガス供給制御部と、
を備えることを要旨とする。
【０００８】
ここで、「所定のガス」としては、例えば、水素や、酸素や、その他の不活性ガス等が挙げられる。
【０００９】
本発明によって、燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池スタックに含まれる複数の単セルのうちの、余剰水分が滞留した単セル、あるいは、滞留しやすい単セルなど、所望の単セルのみに、集中的にガスを供給するようにすることができる。したがって、燃料電池スタック内部に滞留する余剰水分を、効果的、つまり、少ないエネルギで、短時間に排出することができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、
前記ガス供給制御部は、前記燃料電池システムの運転中に前記ガスが流れる最下流部に配置されている前記単セルを含む一部に前記ガスを供給するように、前記ガス供給切換部を制御してもよい。
【００１１】
ここで、「燃料電池システムの運転中にガスが流れる最下流部に配置されている単セル」とは、ガスの排出口が単セルの積層方向の端部に設けられており、排出口の最も近傍に配置されている単セルを意味している。
【００１２】
本発明によって、燃料電池システムの運転停止時に、上記最下流部に配置された単セルに生成水が滞留することを回避することができるので、その後の氷点下における凍結を抑制することができる。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、複数の前記単セルが鉛直方向に積層されており、
前記ガスが、前記燃料電池システムの運転中に、前記燃料電池スタックの最上部に配置された前記単セルから、最下部に配置された前記単セルに向かって流れている場合、
前記ガス供給制御部は、前記燃料電池スタックの最下部に配置された前記単セルを含む一部に前記ガスを供給するように、前記ガス供給切換部を制御してもよい。
【００１４】
複数の単セルが鉛直方向に積層された燃料電池スタックの場合、各単セルで生成された生成水は、重力によって下方に流れやすいため、ガスの流れの最下流部である燃料電池スタックの最下部に配置された単セルに滞留しやすい。
【００１５】
本発明によって、燃料電池スタックの最下部に配置された単セルに滞留した水分を、効率的に排出することができる。
【００１６】
本発明の第２の燃料電池システムは、
発電を行う単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに含まれる複数の前記単セルのうちの一部のみに所定のガスを供給するとともに、該ガスの供給先を切り換え可能なガス供給切換部と、
前記発電時に電流を取り出す前記単セルを切り換え可能な切換スイッチと、
該ガス供給切換部、および、前記切換スイッチを制御するガス供給制御部と、を備え、
前記ガス供給制御部は、前記燃料電池システムの低負荷運転時に、要求された出力に基づいて、前記発電を行う単セルの数を切り換えるように、前記ガス供給切換部、および、前記切換スイッチを制御することを要旨とする。
【００１７】
燃料電池システムの低負荷運転時、すなわち、発電量が少ないときには、ガスの供給量は少なくなるので、燃料電池スタック内部に生成水が滞留し、フラッディングが生じやすくなる。
【００１８】
本発明では、要求出力に応じて発電を行う単セルの数を切り換えるので、ガスの供給量が少ない場合であっても、ガスを供給する単セルの数を少なくすることによって、１つの単セルに流れるガスの量を増やすことができる。この結果、生成水を排出し、フラッディングを抑制することができる。
【００１９】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、
前記ガス供給制御部は、さらに、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池スタックの前記単セルの積層方向の端部に配置された前記単セルを含む一部に前記ガスを供給するように、前記ガス供給切換部を制御してもよい。
【００２０】
一般に、燃料電池スタックの積層方向の端部には、エンドプレート等が配置されており、単セルからの放熱が大きい。このため、燃料電池スタックの積層方向の端部では、単セルの温度が低下しやすく、発電時に生成水が凝縮しやすい。
【００２１】
本発明では、燃料電池スタックの積層方向の端部に配置された単セルに集中的にガスを供給することができるので、凝縮した生成水を速やかに排出することができる。
【００２２】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックは、該燃料電池スタックの内部に、前記ガスを複数の前記単セルに分岐して供給するためのマニホールドを備えており、
前記ガス供給切換部として、前記マニホールド内に、前記ガスの流路を切り換えるための切換バルブを備えるようにしてもよい。
【００２３】
こうすることによって、燃料電池スタックの一部の単セルにガスを供給するための配管を増設する等の部品点数の増加を抑制することができる。
【００２４】
本発明は、上述した種々の特徴を必ずしも全て備えている必要はなく、その一部を省略したり、適宜、組み合わせたりして構成することができる。本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２５】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．運転制御：
Ｂ１．起動制御：
Ｂ２．運転制御：
Ｃ．変形例：
【００２７】
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、負荷２０と、制御ユニット４０とを備えている。燃料電池スタック１０と、負荷２０とは、４つの切換スイッチ３０，３１，３２，３３を介して接続されている。また、図中に、燃料電池スタック１０の概略構成を模式的に示した。
【００２８】
本実施例の燃料電池スタック１０は、概ね、３つのサブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３を、鉛直方向に積層することによって構成されている。ここで、サブスタックとは、単セル１４を所定数積層した積層体である。単セル１４は、図示、および、詳細な説明は省略するが、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード（水素極）とカソード（酸素極）とを形成し、これをセパレータによって挟んだものであり、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う。セパレータには、アノード、および、カソードに、それぞれ燃料ガスとしての水素、および、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を供給するためのガス流路や、冷却水用の流路などが形成されている。なお、本実施例では、燃料電池スタック１０は、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池であるものとした。他の燃料電池を用いるものとしてもよい。
【００２９】
燃料電池スタック１０は、最上部から最下部に向かって、一端からエンドプレート１１ａ、絶縁板１２ａ、集電板１３ａ、サブスタック１０ｓ１、集電板１３ｂ、サブスタック１０ｓ２、集電板１３ｃ、サブスタック１０ｓ３、集電板１３ｄ、絶縁板１２ｂ、エンドプレート１１ｂの順に積層されて構成される。本実施例では、これらは、すべて矩形形状を有している。そして、エンドプレート１１ａ，１１ｂ、絶縁板１２ａ，１２ｂ、集電板１３ａ〜１３ｄは、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３よりも外形形状が大きく、エンドプレート１１ａ，１１ｂ、絶縁板１２ａ，１２ｂ、集電板１３ａ〜１３ｄの四隅には、それぞれ、積層させたときに貫通する位置に、貫通孔が設けられている。燃料電池スタック１０は、これらの貫通孔にボルト１５を貫通させて、ナット１６を締めることによって締結されている。
【００３０】
エンドプレート１１ａ，１１ｂには、それぞれ空気供給口１０ｉ、空気排出口１０ｏが設けられている。なお、図示は省略しているが、エンドプレート１１ａ，１１ｂには、水素供給口、水素排出口、冷却水供給口、冷却水排出口も設けられている。以下、燃料電池スタック１０についての説明において、酸化剤ガスとしての空気の流れについてのみ説明し、水素や冷却水の流れについては、説明を省略する。
【００３１】
燃料電池スタック１０の内部には、空気供給口１０ｉから供給された空気を分岐して、各単セル１４に供給するためのマニホールド、および、各単セル１４を通った空気をまとめて排気するためのマニホールドが形成されている。そして、集電板１３ｂ，１３ｃの内部の上記マニホールドを形成する空気の流路には、それぞれ、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３における空気の流れを切り換えるための切換バルブ１７ｂ１，１７ｂ２、および、切換バルブ１７ｃ１，１７ｃ２が設けられている。空気供給口１０ｉから供給された空気は、切換バルブ１７ｂ１，１７ｂ２、および、切換バルブ１７ｃ１，１７ｃ２の開閉状態に応じて、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３の各単セル１４を通り、空気排出口１０ｏから排出される。切換バルブ１７ｂ１，１７ｂ２、および、切換バルブ１７ｃ１，１７ｃ２は、本発明におけるガス供給切換部に相当する。
【００３２】
集電板１３ａ〜１３ｄには、それぞれ出力端子が設けられており、切換スイッチ３０〜３３の接続状態に応じて、燃料電池スタック１０で発電した電力を出力可能となっている。また、集電板１３ａ〜１３ｄには、それぞれに対応して、集電板１３ａ〜１３ｄを加熱するためのヒータ１８ａ〜１８ｄ、および、集電板１３ａ〜１３ｄの温度を検出するための温度センサ１９ａ〜１９ｄが設けられている。
【００３３】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット４０によって制御される。制御ユニット４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。
【００３４】
例えば、制御ユニット４０は、後述するように、燃料電池システム１００の要求出力等に応じて、切換バルブ１７ｂ１，１７ｂ２、および、切換バルブ１７ｃ１，１７ｃ２の開閉状態や、切換スイッチ３０〜３３の接続状態や、反応ガスの供給量等を制御する。また、制御ユニット４０は、燃料電池システム１００の起動時には、ヒータ１８ａ〜１８ｄのオン／オフの制御も行う。制御ユニット４０は、本発明におけるガス供給制御部に相当する。
【００３５】
Ｂ．運転制御：
Ｂ１．起動制御：
図２は、燃料電池システム１００の起動制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の起動時に、制御ユニット４０のＣＰＵが実行する処理である。なお、図３に、起動制御時の切換バルブ１７ｂ１，１７ｂ２、および、切換バルブ１７ｃ１，１７ｃ２の開閉状態、および、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３に流れる空気の様子を示した。
【００３６】
まず、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の集電板１３ａ〜１３ｄにそれぞれ備えられたヒータ１８ａ〜１８ｄをＯＮにし（ステップＳ１００）、集電板１３ａ〜１３ｄ、および、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３を加熱する。
【００３７】
次に、ＣＰＵは、切換バルブ１７ｂ１を閉、切換バルブ１７ｂ２を開、切換バルブ１７ｃ１を開、切換バルブ１７ｃ２を閉として（ステップＳ１１０）、燃料電池スタック１０に空気を供給し、発電を行う。こうすることによって、図３に示すように、空気は、サブスタック１０ｓ１、サブスタック１０ｓ２、サブスタック１０ｓ３の順に直列に流れ、外部に排出される。このとき、各単セル１４では、発電が行われているので、自らも昇温する。また、サブスタック１０ｓ１、サブスタック１０ｓ２、サブスタック１０ｓ３に空気を直列に流すので、並列に流すよりも、１つの単セル１４に流れる空気の流量を増やすことができる。
【００３８】
次に、ＣＰＵは、全ての集電板１３ａ〜１３ｄの温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上になったか否かを判断する（ステップＳ１２０）。所定温度Ｔｔｈは、発電による生成水が凝縮しにくい範囲で設定されている。全ての集電板１３ａ〜１３ｄの温度Ｔが所定温度Ｔｔｈ以上になったら（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、各ヒータをＯＦＦにし（ステップＳ１３０）、起動処理を終了する。
【００３９】
なお、起動処理時には、３つのサブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３によって発電を行い、電流を取り出すので、ＣＰＵは、負荷２０が集電板１３ａ、および、集電板１３ｄに接続されるように、切換スイッチ３０，３２，３３の接続状態を切り換える。
【００４０】
燃料電池システム１００の起動時には、燃料電池スタック１０の温度が低いので、発電による生成水が燃料電池スタック１０内部で凝縮してフラッディングが生じやすい。本実施例の燃料電池システム１００では、起動時にヒータ１８ａ〜１８ｄを用いて加熱するので、燃料電池スタック１０を速やかに昇温することができ、燃料電池システム１００の起動時の生成水の凝縮を抑制することができる。
【００４１】
Ｂ２．運転制御：
図４は、燃料電池システム１００の運転制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、上述した起動制御の終了後、燃料電池システム１００の運転中に、制御ユニット４０のＣＰＵが実行する処理である。なお、図５に、燃料電池システム１００の高負荷運転時の切換バルブ１７ｂ１，１７ｂ２、および、切換バルブ１７ｃ１，１７ｃ２の開閉状態、および、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３に流れる空気の様子を示した。また、図６に、燃料電池システム１００の低負荷運転時の切換バルブ１７ｂ１，１７ｂ２、および、切換バルブ１７ｃ１，１７ｃ２の開閉状態、および、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３に流れる空気の様子を示した。また、図７に、燃料電池システム１００の運転停止時の切換バルブ１７ｂ１，１７ｂ２、および、切換バルブ１７ｃ１，１７ｃ２の開閉状態、および、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３に流れる空気の様子を示した。
【００４２】
まず、ＣＰＵは、要求出力Ｗを取得し、要求出力Ｗが所定値Ｗ１以上であるか否かを判断する（ステップＳ２００）。所定値Ｗ１は、後述する高負荷運転を行うか、低負荷運転を行うかを判断するための値である。
【００４３】
ステップＳ２００において、要求出力Ｗが所定値Ｗ１以上である場合には（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、高負荷運転を実行する。すなわち、ＣＰＵは、図５に示すように、切換バルブ１７ｂ１，１７ｂ２，１７ｃ１，１７ｃ２をすべて開として（ステップＳ２１０）、３つのサブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３に、空気を並列に流す。そして、ＣＰＵは、要求出力Ｗに応じて、ガス流量を制御する（ステップＳ２５０）。
【００４４】
このような高負荷運転を行うことによって、すべての単セル１４を用いて発電を行い、大電流を出力することができる。なお、高負荷運転時には、３つのサブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３によって発電を行い、電流を取り出すので、ＣＰＵは、負荷２０が集電板１３ａ、および、集電板１３ｄに接続されるように、切換スイッチ３０，３２，３３の接続状態を切り換える。
【００４５】
ステップＳ２００において、要求出力Ｗが所定値Ｗ１未満である場合には（ステップＳ２００：ＮＯ）、ＣＰＵは、低負荷運転を実行する。この低負荷運転では、後述するように、発電を行う単セル１４の数を、高負荷運転の場合よりも少なくする。このとき、発電を行う単セル１４の数を減少させたことによる電圧の低下分は、電流量を増やすことによって、電力量の低下を抑制する。なお、本実施例の低負荷運転では、所定出力に応じて、要求出力Ｗが比較的高い第１の低負荷運転と、要求出力Ｗが比較的低い第２の低負荷運転とを切り換える。
【００４６】
低負荷運転を行う場合、まず、ＣＰＵは、要求出力Ｗが所定値Ｗ２以上（Ｗ１未満）であるか否かに基づいて、第１の低負荷運転を実行するか、第２の低負荷運転を実行するかを判断する（ステップＳ２２０）。
【００４７】
ステップＳ２２０において、要求出力Ｗが所定値Ｗ２以上Ｗ１未満である場合には（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、第１の低負荷運転を実行する。すなわち、ＣＰＵは、図６（ａ）に示すように、切換バルブ１７ｂ１を開、切換バルブ１７ｂ２を閉、切換バルブ１７ｃ１を開、切換バルブ１７ｃ２を開として（ステップＳ２３０）、２つのサブスタック１０ｓ２，１０ｓ３に、空気を並列に流す。そして、ＣＰＵは、要求出力Ｗに応じて、ガス流量を制御する（ステップＳ２５０）。このとき、サブスタック１０ｓ１では、発電は行わず、２つのサブスタック１０ｓ２，１０ｓ３によって発電を行い、電流を取り出すので、ＣＰＵは、負荷２０が集電板１３ｂ、および、集電板１３ｄに接続されるように、切換スイッチ３０，３１，３２，３３の接続状態を切り換える。なお、サブスタック１０ｓ１では、発電を行わないので、サブスタック１０ｓ１内には、ガスが滞留し、新たにガスは流れ込まない。
【００４８】
一方、ステップＳ２２０において、要求出力Ｗが所定値Ｗ２未満である場合には（ステップＳ２２０：ＮＯ）、ＣＰＵは、第２の低負荷運転を実行する。すなわち、ＣＰＵは、図６（ｂ）に示すように、切換バルブ１７ｂ１を開、切換バルブ１７ｂ２を閉、切換バルブ１７ｃ１を開、切換バルブ１７ｃ２を閉として（ステップＳ２３０）、１つのサブスタック１０ｓ３にのみ、空気を流す。そして、ＣＰＵは、要求出力Ｗに応じて、ガス流量を制御する（ステップＳ２５０）。このとき、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２では、発電は行わず、サブスタック１０ｓ３のみによって発電を行い、電流を取り出すので、ＣＰＵは、負荷２０が集電板１３ｃ、および、集電板１３ｄに接続されるように、切換スイッチ３０，３１，３２，３３の接続状態を切り換える。なお、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２では、発電を行わないので、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２内には、ガスが滞留し、新たにガスは流れ込まない。
【００４９】
このように、要求出力Ｗが小さく、空気の供給量が少ない低負荷運転の場合であっても、空気を供給する単セル１４の数を少なくすることによって、１つの単セル１４に流れる空気の量を増やすことができる。この結果、単セル１４から速やかに生成水を排出し、フラッディングを抑制することができる。
【００５０】
ＣＰＵは、ガス流量の制御（ステップＳ２５０）を行った後、燃料電池システム１００の運転停止の指示があったか否かを判断する（ステップＳ２６０）。運転停止の指示がない場合には（ステップＳ２６０：ＮＯ）、ステップＳ２００に戻る。
【００５１】
一方、ステップＳ２６０において、運転停止の指示があった場合には、その後、燃料電池スタック１０内部に残留した生成水が氷点下で凍結し、起動できなくなることを抑制するため、以下の制御を行う。
【００５２】
まず、ＣＰＵは、図７（ａ）に示すように、切換バルブ１７ｂ１を閉、切換バルブ１７ｂ２を開、切換バルブ１７ｃ１を開、切換バルブ１７ｃ２を閉として（ステップＳ２７０）、３つのサブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３に、空気を直列に流す。そして、所定時間経過後、ＣＰＵは、図７（ｂ）に示すように、切換バルブ１７ｂ１を開、切換バルブ１７ｂ２を閉、切換バルブ１７ｃ１を開、切換バルブ１７ｃ２を閉として（ステップＳ２８０）、燃料電池スタック１０の最下部に配置されたサブスタック１０ｓ３のみに、集中的に空気を流す。
【００５３】
燃料電池スタック１０内部において、生成水は、これを排出するための空気の下流部分に滞留しやすい。特に、本実施例では、燃料電池スタック１０は、単セル１４が鉛直方向に積層されているため、生成水は、重力によって下方に流れ、最下部に配置された単セル１４に滞留しやすい。本実施例では、燃料電池スタック１０の最下部に配置されたサブスタック１０ｓ３に、集中的に空気を流すので、生成水を、効率的に排出することができる。
【００５４】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック１０に含まれる複数のサブスタックのうちの、所望のサブスタックのみに、集中的に空気を供給することができる。したがって、燃料電池スタック１０内部に滞留する余剰水分を、効果的、つまり、少ないエネルギで、短時間に排出することができる。
【００５５】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００５６】
Ｃ１．変形例１：
図８は、変形例１の燃料電池スタック１０Ａの概略構成を模式的に示す説明図である。この燃料電池スタック１０Ａは、単セル１４の積層方向の両端部に配置された一部の単セル１４に、空気を集中的に供給できるように、サブスタック１０Ａｓ１，１０Ａｓ２，１０Ａｓ３が形成されている。具体的には、燃料電池スタック１０Ａの単セル１４の積層方向の両端部に配置されたサブスタック１０Ａｓ１，１０Ａｓ３は、単セル１４の数がサブスタック１０Ａ２よりも少ない。これらは、サブスタック１０Ａ２よりも放熱が大きく、温度が低下しやすいため、発電による生成水が凝縮しやすい。したがって、燃料電池スタック１０Ａを上述した構成とし、例えば、図示するように、切換バルブ１７ｂ１を閉、切換バルブ１７ｂ２を開、切換バルブ１７ｃ１を閉、切換バルブ１７ｃ２を開として、サブスタック１０Ａｓ１のみに空気を供給するなど、燃料電池システム１００の起動時に、両端部に配置されたサブスタック１０Ａｓ１，１０Ａｓ３の単セル１４に集中的に空気を供給するようにすることによって、凝縮した生成水を速やかに排出し、フラッディングを抑制することができる。
【００５７】
Ｃ２．変形例２：
図９は、変形例２の燃料電池スタック１０Ｂの概略構成を模式的に示す説明図である。図示するように、この燃料電池スタック１０Ｂでは、全体の単セル１４の数は、上記実施例と同じであるが、上記実施例よりも、サブスタックの数が多く、サブスタック１０Ｂｓ１，１０Ｂｓ２，・・・，１０Ｂｓｎにそれぞれ含まれる単セル１４の数が少ない。このようにサブスタックの数を多くすることによって、上記実施例よりも柔軟な制御を行うようにすることができる。
【００５８】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例、および、変形例１、変形例２では、サブスタックごとに切換バルブを備えるようにしたが、単セル１４ごとに備えるようにしてもよい。
【００５９】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、集電板１３ａ〜１３ｄ、すなわち、燃料電池スタック１０内に設けられマニホールド内に、切換バルブを備えるようにしたが、これに限られない。燃料電池スタック１０の外部に、燃料電池スタック１０の一部の単セル１４に空気を供給するための配管や、切換バルブを設けるようにしてもよい。ただし、上記実施例によれば、燃料電池スタック１０の一部の単セル１４に空気を供給するための配管を増設する等の部品点数の増加を抑制することができる。
【００６０】
Ｃ５．変形例５：
上記実施例では、燃料電池スタック１０は、サブスタック１０ｓ１，１０ｓ２，１０ｓ３、すなわち、単セル１４を、鉛直方向に積層するものとしたが、これに限られない。単セル１４を、水平方向、あるいは、斜め方向に積層するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システム１００の起動制御の流れを示すフローチャートである。
【図３】起動制御時の各切換バルブの開閉状態、および、各サブスタックに流れる空気の様子を示す説明図である。
【図４】燃料電池システム１００の運転制御の流れを示すフローチャートである。
【図５】燃料電池システム１００の高負荷運転時の各切換バルブの開閉状態、および、各サブスタックに流れる空気の様子を示す説明図である。
【図６】燃料電池システム１００の低負荷運転時の各切換バルブの開閉状態、および、各サブスタックに流れる空気の様子を示す説明図である。
【図７】燃料電池システム１００の運転停止時の各切換バルブの開閉状態、および、各サブスタックに流れる空気の様子を示す説明図である。
【図８】燃料電池スタック１０Ａの概略構成を模式的に示す説明図である。
【図９】燃料電池スタック１０Ｂの概略構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１００...燃料電池システム
１０，１０Ａ，１０Ｂ...燃料電池スタック
１０ｓ１〜１０ｓ３，１０Ａｓ１〜１０Ａｓ３，１０Ｂｓ１〜１０Ｂｓｎ...サブスタック
１０ｉ...空気供給口
１０ｏ...空気排出口
１１ａ，１１ｂ...エンドプレート
１２ａ，１２ｂ...絶縁板
１３ａ〜１３ｄ...集電板
１４...単セル
１５...ボルト
１６...ナット
１７ｂ１，１７ｂ２，１７ｃ１，１７ｃ２...切換バルブ
１８ａ〜１８ｄ...ヒータ
１９ａ〜１９ｄ...温度センサ
２０...負荷
３０〜３３...切換スイッチ
４０...制御ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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